【物理科普】为什么火箭有很多节？不能做成一节吗？

我们知道，要实现宇宙航行，火箭速度在理论上至少要达到7.91千米/秒，即第一宇宙速度。20世纪，为了达到这一速度，各国都采用了多级火箭，也就是说火箭由很多“节”组成。在这种火箭中，火箭的每一“节”都是一个单级火箭，它们有自己的发动机、推进剂、控制系统和伺服机构。这些单级火箭串联或并联起来，就组成了多级火箭。那么，用一“节”行不行呢？

让我们先做一个假设。假如把巨大的运载火箭做成单级，那么全部推进剂只能贮存在这一级火箭的贮箱内。这样，贮箱不但要增大容积，还因为承受的推进剂增多而必须加厚贮箱箱壁，这将增加贮箱重量。这种火箭在飞行过程中，推进剂逐渐消耗，贮箱越来越空，空出的贮箱壳体成为无用的质量，而推进剂释放出来的能量不仅要加速卫星或飞船，还要加速这部分无用的空贮箱。而且，贮箱越重，加速空贮箱所耗费的推进剂就越多，以至火箭最终无法达到宇宙航行所需的速度。实际上，目前单级火箭所能达到的最高速度不超过6千米/秒，无法实现宇宙航行。如果能把无用的贮箱抛掉，显然可以提高火箭的末速度，这便是把火箭做成很多“节”的原因。

长征火箭运抵总装厂房

多级火箭飞行时，最下面的第一级先工作并使火箭达到一定速度，完成任务后这一级被抛掉；接着在此速度的基础上启动第二级进一步加速，完成任务后再抛掉；随后再用第三级甚至第四级加速，这样，飞行中火箭的“身体”被一节一节抛掉，推进剂能量不会过多耗费在加速无用的空贮箱上，火箭轻装前进，越飞越轻，速度逐级提高。运用这种多级火箭的“接力”技术，最终可超越第一宇宙速度，实现宇宙航行。

那么，运载火箭能不能做成一节呢？在20世纪70年代之前，人们普遍认为实现宇宙飞行只能采用多级火箭。随着火箭结构材料和动力系统性能的提高，采用单级火箭实现宇宙飞行完全可能。美国从上个世纪80年代开始采用轻质高强度的先进复合材料和新型火箭发动机研制单级火箭，至今这项工作仍在探索之中。